基于物聯網技術的大黑汀水庫閘門冬季破冰防凍

蘇春榮

（海委引灤局大黑汀水庫管理處，河北 遷西 064300）

0 引言

灤河發源于河北省豐寧縣西北部巴顏圖古爾山麓，流經沽源縣，內蒙古多倫縣，河北省承德、唐山兩市，于樂亭縣匯入渤海。全長888 km，總面積 46 600 km2。大黑汀水庫樞紐工程建在灤河干流上，壩址在河北省遷西縣大黑汀村，距上游的潘家口水庫30 km，水庫控制流域面積35 100 km2，占灤河總流域面積的79%,區間有支流灑河匯入。是開發灤河，跨流域向天津、唐山兩市引水的大型骨干工程之一，其作用是承接上游潘家口水庫來水，調節水量，抬高水位，為跨領域引水創造條件。水庫下接引灤入津，引灤入唐渠道，為天津、唐山兩市及下游工農業及城市提供水源，并用輸水進行發電。大黑汀水庫和潘家口水庫聯合運用，以發揮防洪、供水、發電等作用。

水庫為年調節水庫，最大壩高52.8 m，壩頂長1 354.5 m，總庫容3.37 億m3。該工程1973 年10 月開工，1979 年4 月開始為灤河下游調節供水，1983年6 月主體工程完工，1986 年全部竣工，該工程由河北省根治海河指揮部勘測設計院設計，河北省水利廳工程局施工。水庫經過30 多年蓄水運行，發揮了巨大的社會效益和經濟效益。

灤河流域地處副熱帶大陸季風區，夏季炎熱而多雨，冬季寒冷而干燥，多年平均氣溫10℃，絕對最高氣溫39.4℃，最低氣溫-25℃。流域內無霜期較短（90～180 d），冰凍期較長（120～200 d），庫區由每年12 月上旬封凍，至次年3 月上旬解凍。河心最大冰厚(0.4～0.6 m)，河邊冰厚可達1 m 以上，冬季盛行偏北風，風速可達七、八級，瞬時可達九級，屬于嚴寒地區。

由于水庫工程處于嚴寒地區，水庫大壩28 孔溢洪道弧形閘門（數量：28 扇，閘門型式：露頂式弧形工作門，材料：A3 鋼，尺寸：15×12.1 m,水封型式：側水封L 型、底水封H 型。操作方式：動水啟閉。啟閉機型式：卷揚式）。因冬季庫面結冰可能被擠壓破壞，必須采取措施進行防護。嚴寒地區壩前防止結冰，大多采用空氣壓縮機吹氣防止結冰，風泵吹冰，潛水泵破冰和人工破冰等辦法，根據該工程具體情況，及對同類處于嚴寒地區已完工程的防凍成功經驗的了解，目前我們采用潛水泵破冰方式，將潛水泵懸吊在破冰地區，每次開動時間通過試驗來確定。通過多年來運行實踐，破冰效果良好，確保了水庫工程安全運行。

1 目前采取的破冰措施

選擇匹配的小型潛水泵，每孔閘門前放置一臺（見圖1），用纜繩放在弧形門前水面以下2～3 m，潛水泵出水口連接一段直管，管口距水面4～50 cm，抽取下層溫度較高水至水面，使閘門前表面水體循環，保持整個門前不結冰。

圖1 單孔單泵破冰示意圖

2 單孔單泵破冰存在的缺陷

單孔單泵破冰始于2004 年，受限于當時的技術條件及成本等，水泵的電氣控制采用了刀閘開關控制方式。如圖2 為水泵起?？刂茍D。電源引自啟閉機室內的啟閉機用電配電柜，沿啟閉機室內的電纜溝引至閘墩附近后向下敷設至壩面下游防護欄的刀閘開關電源進線端。刀閘開關事先用綁線捆扎在防護欄上，刀閘出線端經由電纜給潛水泵供電。潛水泵用繩索捆扎在下游防護欄上。

圖2 潛水泵起?？刂茍D

單孔單泵破冰方式存在如下弊端：（1）潛水泵的起?？咳斯ぐ釀拥堕l開關實現，合閘瞬間存在弧光放電，非電工操作存在安全隱患，容易觸電；（2）北方冬季降雪較多，氣溫較低，刀閘開關經常被雪覆蓋，合閘時必須要除掉刀閘開關表面的積雪，但是仍會有積雪滲入到刀閘開關內部，極易導致合閘過程中觸電，尤其是積雪融化后，刀閘開關經常被積雪凍住，不但合閘不易，更加重合閘的危險性，存在極大的安全隱患。

3 改進措施

3.1 控制方式改進

鑒于以上情況，我們進行了控制方式改進。如圖3 所示，在每孔的閘墩交通廊道內設置一個破冰控制箱，控制箱安裝在交通廊道的側壁上，避免了外界惡劣氣候的影響，同時為便于管理，控制箱以上電源電纜采用永久式敷設，穿304 不銹鋼管安裝，控制箱也采用304 不銹鋼材質，可長期經受外界復雜氣候條件的侵蝕。同時，控制箱內部設置自動起?？刂苹芈?，每年冬季結冰后，只需組織一次潛水泵就位，水泵的起停就不必人工干預了，大大減少了巡視人員的工作量。巡視人員的重心轉為根據庫水位變化及時調整潛水泵的入水深度及及時更換故障泵。

圖3 改進后的潛水泵起停控制圖

3.2 電氣控制改進

下面對控制箱自動起停回路進行簡要分析。如圖4。左半部分為主回路，右半部分為控制回路。冬季破冰開始后，將QF1 與QF2 合上，圖中T 為定時器，型號：KG316T。人工設置好定時器的起停時間后，定時器將會在規定的時間內閉合或斷開T 接點，導致KM 接觸器動作，當KM 動作后繼而會使潛水泵工作或停止。當發生水泵堵轉、水下電纜線路斷線或者短路等故障后，還將引發QF1 跳閘，起到保護水泵或故障預警的作用。

圖4 控制箱內部電氣控制原理圖

3.3 基于物聯網技術的進一步改進

3.3.1 物聯網內涵

物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡技術。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，其核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。物聯網的精髓就是將“物”和“互聯網”全面融合，形成一個網絡化、物聯化、互聯化、自動化、感知化和智慧化的基礎設施。通過智能化的解決方案，就可以更加精細和動態的方式管理生產和生活，從而達到“智能”狀態。

物聯網系統架構如圖5 所示，物聯網終端節點可直接與物聯網相連，也可以延伸經過接入網關接入網絡層。網絡層是物聯網的網絡核心，其中主要的通信網絡包括互聯網、電信通信網、有線電視網和衛星通信網。多網絡相互融合，構建了物聯網的網絡通信設施，實現物聯網的數據傳輸。物聯網應用支撐平臺為上層應用提供技術支撐，它包括云計算與高性能計算技術、智能信息處理技術、數據庫與數據挖掘技術、地理信息系統與定位技術和微電子與通信技術。應用層直接支持物聯網應用系統運行，它包括信息共享交互平臺、數據存儲以及相關的應用系統。

圖5 物聯網系統架構

3.3.2 基于物聯網技術的智能斷路器技術進展

智能斷路器在傳統斷路器控制用電線路、保護安全用電的基礎上，引入電磁技術和芯片技術，以及現場總線技術和微機處理器，斷路器逐漸開始具備智能化，依托各種傳感器技術、微電子技術和各種信息傳輸技術，將控制、計量及通信等功能融于一體，可以更好的完成開斷任務和提高開斷的可靠性，實現斷路器的智能化操作。

伴隨微電子、單片機及計算機技術、新型傳感器技術不斷發展，斷路器結構也在不斷地演進，智能型斷路器在傳統機械式斷路器基礎上引入了智能控制單元，不僅具有傳統斷路器的基本功能，還配有新型的電子設備，與傳感器和數字化控制裝置相配合，實現了斷路的電子操作，變機械傳動為變頻器經電機驅動，提高了機械系統的可靠性。

智能操作要求斷路器具有機構動作時間上的可控性，目前斷路器常用的氣動操作機構、液壓操作機構和彈簧操作機構由于中間轉換介質等因素，控制時間離散性大，其運動特性很難達到理想的可控狀態。采取電磁操作機構的斷路器利用電容儲能、永磁保持、電磁驅動、電子控制等技術，當機構確定后運動部件只有一個，沒有中間轉換介質，分合閘特性僅與線圈參數相關，可以通過微電子技術來實現微妙級的控制，通過對于速度特性控制實現斷路器的智能化操作。

隨著技術進步，智能斷路器還配有了數字化各類通信接口，可以將位置、狀態、分合閘指令信息通過各種通信接口協議進行傳輸，還可根據需要加裝顯示模塊、各種通信模塊以及各種檢測模塊，以擴大智能操作斷路器的智能化功能。

最新一代智能型斷路器已經集合過欠壓保護、漏電、電表、浪涌保護、定時器、多功能儀表等功能于一身，且可以多種線路開關+智能網關組合控制，而且可以通過PC、APP 端進行遠程控制。

3.3.3 基于物聯網智能斷路器改造實踐

基于物聯網智能型斷路器可方便地用于改造控制系統或控制設備，可以在不新增和改造現有設備、充分利用舊設備的基礎上，通過智能開關和線路改造來有效提升智能化管理手段?；诖丝紤]我們應用了帶有物聯網技術的智能斷路器再次對水泵的控制回路進行了改進，并取得了比較滿意的效果。

如圖6，在接觸器的出線端增設一個具備物聯網功能的智能型斷路器。型號：ZJSB9-125Z。該斷路器內置物聯網芯片，通過手機信號就可以控制斷路器，并且無距離限制，手機上只要安裝一個app 程序，就可以實現遠距離監視與控制斷路器，多達1 000 個以上用戶可以同時監視一路斷路器，一個用戶可以監控多達200 路智能斷路器，完全滿足工程管理的需要。如圖7 為改進后采用的手機端斷路器的監控狀態情況。

圖6 基于物聯網技術的控制回路改進原理

圖7 手機端狀態監控圖

當潛水泵故障后將觸發智能斷路器跳閘，我們在手機端就能隨時查看到，及時到場處理問題，提高了冬季破冰故障處置的效率。

3.4 進一步思考

考慮到智能斷路器的安全性、可靠性、控制與監視的便捷性，經過幾年的試運行后，我們打算對冬季破冰的控制系統逐步進行升級改造。由于基于物聯網技術的智能斷路器本身就具備定時控制功能，我們擬考慮簡化控制線路，控制箱內僅保留一個物聯網斷路器就可以實現潛水泵的控制了?？刂葡鋬炔烤€路簡化后，可以考慮在控制箱內部增設導軌式插座，方便壩區施工期間小型負載的臨時用電需要。其次，如果在上游側每孔增設具備物聯網技術的智能型攝像頭，達到控制與現場互相印證，就更加完美了。

4 應用效果

優點：①采用物聯網技術的智能型斷路器后，提高了故障的處置效率，保證了冬季破冰24 h 不間斷破冰無縫銜接；②減輕了巡視人員的巡視工作量，尤其風雪惡劣低溫異常不便現場巡視的情況下，巡視人員通過手機端就能隨時掌握破冰設施運行情況。

5 結語

經過物聯網技術改進后，大黑汀水庫冬季破冰實現了智能化，極大提高了工程管理的現代化水平，減輕了運行管理人員的勞動強度，提高了工程應急處置的效率與能力，特別是保證了壩區冬季破冰工作始終處于可控狀態，確保了24 h 不間斷破冰，保證了溢流閘段閘門的安全越冬。